生分解性インプラントセンサー、体内機能のリアルタイム監視を実現
医療処置中と後の患者状態を監視するセンサーは、高価で不快、時には危険です。今、国際研究チームが、体内に埋め込める高感度フレキシブルガスセンサーを設計しました。役目を終えると、体内で吸収される材料に安全に生分解します。
ある研究で、ペンシルベニア州立大学の研究者たちは、体内の一酸化窒素（NO）と二酸化窒素（NO2）ガスのさまざまな形態を監視できる、フレキシブルで埋め込み可能なセンサーを設計したと報告しています。これらのガスの監視は重要です。それらは人体において有益な役割を果たすこともあれば、時には有害な役割を果たすこともあるからです。
例えば、人体で自然に生成される一酸化窒素は、血管を弛緩・拡張させて血流を促進し、酸素と栄養素を体中に循環させる重要な役割を果たします。一方、環境からの二酸化窒素への曝露は、慢性閉塞性肺疾患の進行に関連しています。一酸化窒素は高反応性で、酸素にさらされると二酸化窒素に変換される可能性があります。
チームはセンサー設計にひと工夫加え、埋め込み可能、フレキシブル、伸縮性があるだけでなく、生分解性も持たせました。現在のデバイスは体外でガスレベルを監視するために使用されますが、Cheng氏によると、それらは大型で、埋め込み型デバイスほど正確ではない可能性があります。しかし埋め込み型デバイスは除去が必要で、それは再手術を意味するかもしれません。研究者たちは、除去不要の設計を調査しました。
「心臓手術を受けたとしましょう。体外のモニターではガスを十分に検出できないかもしれません」とHuanyu "Larry" Cheng教授は言います。「心臓表面や内臓からガスレベルを監視する方がはるかに有益かもしれません。このガスセンサーは埋め込み可能で、かつ生分解性でもあり、これは私たちが取り組んできた別の研究方向です。患者が手術から完全に回復すれば、デバイスは不要になり、それが生分解性デバイスを有用にします。」
研究者たちによると、すべてのコンポーネントは水や体液中で生分解しますが、ガスレベルの情報を取得するのに十分な機能を保持します。この場合、デバイスの電気伝導体にはマグネシウムを、機能材料には一酸化窒素に高感度なシリコンを使用しました。シリコンは独特です。現代エレクトロニクスの構成要素であり、超安定と見なされ、かつ生分解性です。環境によって異なりますが、1日あたり約1〜2ナノメートルの非常に遅いペースで溶解します。デバイスに使用されたすべての材料は体内で安全に吸収可能であり、患者の回復期間中にセンサーが機能し続けるほど十分に遅く溶解します。
センサーは湿潤条件と水溶液でテストされ、体内の過酷な条件下で安定して動作することが示されました。チームはICDSのRoarスーパーコンピュータの計算リソースを使用し、材料の形状の微小な変化や変形によって引き起こされる極めて小さな変化を計算するコンピュータシミュレーションを作成しました。測定は抵抗に基づいており、ガス吸収によって変化します。
研究者たちは、将来の研究で健康的な老化とさまざまな疾患アプリケーションのために、他の体機能を監視する統合システムの設計を検討できるとしています。
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